机器人机构学第一章1.ppt

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1、机器人技术 陶建国 哈尔滨工业大学机电学院 2005. 2. 1 2004/2005 学年春季学期教学日历 院系名称： 机电工程学院 课程名称：机器人技术 总学时：36 学分： 2 课程类别：XW 授课起止周数： 1 9 适用学科、专业： 机械设计及理论；机械制造及其自动化、机械电子工程 等 时间、地点方式 时 数 教学 ( 授 课 或 讨 论 ) 内 容教材页数及参考文献范围 周 序 星 期 节次地点 课 堂 讲 授 课 堂 讨 论 1二7 8D13 2机器人的定义、分类及发展概况 蔡自兴 蒋新松 1四5 6D13 2机器人的组成、构型及性能要素 蔡自兴 蒋新松 2二7 8D13 2 机器人

2、的驱动器与传动系统， 机器人的关节结构 马香峰 费仁元 2四5 6D13 2机器人的手部结构，机器人的平衡机构 马香峰 费仁元 3二7 8D13 2并联机器人的结构，机器人的移动机构 柳洪义 费仁元 3四5 6D13 2 机器人的数学基础：位置与姿态描述， 齐次坐标变换 付京孙 蔡自兴 4二7 8D13 2齐次变换矩阵及其几何意义，习题举例 付京孙 蔡自兴 2 2004/2005 学年春季学期教学日历 4四5 6D13 2 机器人的结构参数和坐标系的建立，Denavit- Hartenberg矩阵 付京孙 蔡自兴 5二7 8D13 2机器人运动学正解，机器人运动学逆解 付京孙 蔡自兴 5四5

3、6D13 2机器人的微分运动及变换，机器人雅可比矩阵 付京孙 蔡自兴 6二7 8D13 2机器人运动学习题举例，并联机器人运动学简介 付京孙， 黄真 6四5 6D13 2机器人的工作空间，机器人静态力学计算 付京孙 蔡自兴 7二7 8D13 2机器人动力学研究内容及建模方法，拉格朗日方程 付京孙 蔡自兴 7四5 6D13 2拉格朗日方程的一般形式，牛顿欧拉方程 付京孙 蔡自兴 8二7 8D13 2刚性机器人动力学方程举例，弹性机器人动力学简介 付京孙 蔡自兴 8四5 6D13 2机器人规划的作用与任务，机器人的轨迹规划 付京孙 蔡自兴 9二7 8D13 2机器人控制与感觉技术简介 付京孙 蔡自

4、兴 9四5 6D13 2机器人控制与感觉技术简介，课程总结 付京孙 蔡自兴 3 & 第一章 绪论 1.1 机器人的定义、分类及发展概况 1.1.1 机器人的定义 机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之 一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了 人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机 器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、 工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有 编程能力的多功能操作机（Manipulator）。 美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某 些操作和移动作

5、业任务或动作的机械装置。 4 1987年国际标际标 准化组织组织 (ISO)对对工业业机器人的定义义：“ 工业业机器人是一种具有自动动控制的操作和移动动功能，能完 成各种作业业的可编编程操作机。 日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完 成某些操作或者动作功能。 英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具 有人格的机器。 中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自 动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力 ，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具 有高度灵活性的自动化机器”。 5 尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具 有的二个共同

6、点： 1) 是一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种 操作或动作功能，即具有通用性。 2) 可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。 机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机 技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果， 代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃 的领域之一。 6 1.1.2 机器人的发展历史 1920年，捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗 萨姆的万能机器人。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota” 写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人 一词的起源。 1950年，美国作家埃萨克阿西莫夫在他的科幻小说I ，Rob

7、ot中首次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。 阿西莫夫提出了“机器人三原则”： 1 机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2 机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3 机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准 则，阿西莫夫因此被称为“机器人学之父”。 7 1954年，美国人George C. Devol 提出了第一个工业机 器人方案并在1956年获得美国专利。 1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。 1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和 销售了第一台工业机器“Unima

8、te”，即万能自动之意。 1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控 自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并 以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。 8 1967年， Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日 本川崎重工业公司。 1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。 1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。 1973年，Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人。 1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。 1982年，Westinghouse公司兼并Unimati

9、on公司，随后又 卖给了瑞士的Staubli公司。 1990年，Cincinnati Milacron公司被瑞士ABB公司兼并。 9 日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器 人。6070年代是机器技术获得巨大发展的阶段。 80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊 接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下 、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产 生第二代机器人。 90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、 医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器 人发展。 随着机器人技术的发展形成了新学科 机器人学。建立 了相应学术组织，定

10、期举办学术活动。 国际会议：ISIP、IEEEIROS、ICR&A 等。 国际杂志： Robtics Research 、 Robotica 、 Robotics and Automation 等。 10 我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业， 开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。 1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇号）。 国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。 建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（ 沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学 ）。 我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。 学术会

11、议：每两年左右去办一次大型全国性会议。 学术刊物： 机器人 、机器人技术与应用 等。 11 1.1.3 机器人的分类 机器人的种类很多。可以按驱动形式、用途、结构和智能 水平等观点划分 、按驱动形式 气压驱动 液压驱动 电驱动 交流伺服驱动 直流伺服驱动 2、按用途划分 （1）工业机器人 弧焊机器人 点焊机器人 搬运机器人 装配机器人 喷涂机器人 抛光机器人 12 （2）特种机器人 空间机器人 水下机器人 军用机器人 教学机器人 服务机器人 医用机器人 排险救灾机器人 固定式 移动式 轮式 履带式 足式 蛇行 13 3、按智能水平划分 分 类 名 称简 要 解 释 人工操作装置 有几个自由度，

12、有操作员操纵，能实现若干预定的功能。 固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 可变顺序机器人 按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺 序和条件可作适当改变。 示教再现型机器人 通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程 序，机器人则自动重复进行作业。 数控型机器人 不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动 程序，能进行可变程伺服控制。 感知型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境 有一定的适应性。 智能机器人 机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变 化，也能够成功的完成任务。 第一代 第二代 第三代 14

13、1.1.4 机器人技术展望 进入90年代后,机器人数量增长速度下降,但由于人工智 能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术 研究在高水平上进行。未来机器人技术将有待于在以下几 个方面发展。 一、操作臂技术 1 高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法； 2 柔性操作臂：提高荷重比（3010），轻质材料； 3 冗余自由度臂； 4 高精度、多自由度力控制：精密组装； 5 微型操作臂。 15 二、移动技术 1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构； 2、运动控制：建模、制导、导航、路径规划。 三、感知技术 1、视觉：图像识别与处理； 2、手眼协调； 3、接触觉小型化； 4、多信息融合。

14、四、自主控制技术 1、分布式计算机控制技术； 2、人工智能技术。 16 20公斤点焊焊机器人 点焊焊机器人在工作中 6公斤弧焊焊机器人 工业机器人（一 ） 弧焊焊机器人在工作中 17 涂胶机器人 龙门式喷漆机器人SCARA型装配机器人 工业机器人（二 ） 搬运机器人码垛机器人 喷漆机器人 18 “双鹰鹰”水下机器人水下扫扫雷机器人“探索者号”水下机器人 Spirit火星漫游车 Marshod 火星漫游车Canada Arm 太空机械臂 特种机器人（一 ） 19 美国“别动队别动队 ”无人机法国“红红隼”无人机微型无人机 特种机器人（二 ） 豹式排雷机器人“徘徊者”侦察机器人“手推车车”机器人机

15、器人助手 20 特种机器人（三 ） 足球机器人AIBO机器狗指挥机器人 迎宾机器人导盲机器人跳舞机器人医疗机器人 21 特种机器人（四 ） 管内机器人隧道凿凿岩机器人大型喷浆喷浆 机器人 室外保安机器人德国排爆机器人消防机器人防暴机器人 22 23 二、移动技术 1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构； 2、运动控制：建模、制导、导航、路径规划。 三、感知技术 1、视觉：图像识别与处理； 2、手眼协调； 3、接触觉小型化； 4、多信息融合。 四、自主控制技术 1、分布式计算机控制技术； 2、人工智能技术。 24 1.2 机器人的优缺点 一、优点 能不知疲倦、不厌其烦的持续工作，不会有心理问

16、题； 具有比人更高的精确度、速度，可以同时相应多个激励； 可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全的需要； 无需舒适的环境，如照明、空调、噪音隔离等； 其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力； 二、缺点 替代了工人，由此带来经济和社会问题； 缺乏应急能力； 灵活性、自适应能力还欠缺； 设备费用开销较大。 25 1.3 机器人的组成、构型及性能要素 1.3.1 机器人的组成 机器人是一个机电一体化的设备。从控制观点来看，机器 人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、 控制系统、感知反馈系统。 机 器 人 执行机构驱动装置控制系统感知系统 基 座 （固定或移动 ） 手部 腕

17、部 臂部 腰部 电驱动装置 液压驱动装置 气压驱动装置 处理器 关节伺服控制器 内部传感器 外部传感器 26 一、执行机构 包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相当于人的肢体。 二、驱动装置 包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。 三、感知反馈系统 包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传 感器，检测机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。 四、控制系统 包括：处理器及关节伺服控制器等，进行任务及信息处理，并 给出控制信号。相当于人的大脑和小脑。 内部传感器（位形检测 ） 控制系统 驱动 装置 执行 机构 工作对象 外部传感器（环境检测 ） 1 处理器关节控制器

18、27 1.3.2 机器人的构型 机器人的机械配置形式即构型多种多样。最常见的构型是 用其坐标特性来描述的。 一、工业机器人 1、直角坐标型 (3P) 其运动是解耦的，控制简单。但运动灵活性较差，自 身占据空间最大。 28 2、圆柱坐标型 (R2P) 其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。 但自身占据空间也较大。 圆柱坐标型机器人模型Verstran 机器人Verstran 机器人 29 3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP) 其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。 占自身据空间也较小。 极坐标型机器人模型 Unimate 机器人 30 4、关节坐标型 (3R) 其运动耦合

19、性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自 身占据空间最小。 关节型搬运机器人关节型焊接机器人关节型机器人模型 31 5、平面关节型 (SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动 灵活性更好，铅垂平面刚性好。 SCARA型装配机器人 32 仿生型 自由度一般较多，具有更强的适应性和灵活性，但控制 更复杂，成本更高，刚性较差。 类人型机器人仿狗机器人蛇形机器人 二、特种机器人 33 六轮漫游机器人 仿鱼机器人仿鸟机器人 六足漫游机器人 34 1.3.3 机器人的性能要素 自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般 等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其 作业任务。 负荷能力 机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承 载的负荷重量。 运动范围 机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。 它是机器人关节长度和其构型的函数。 精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动 器的分辨率及反馈装置有关。 重复精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不 仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机 构的精度及机器人的动态性能有关。 35 控制模式 引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软 件编程模式；自主模式。 运动速度 单关节速度；合成速度。 其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。 36